Оксиды железа: свойства, реакции, применение, польза и вред

Оксид железа – это неорганическое соединение железа и кислорода. В природе с разной частотой встречаются порядка 16 видов оксидов. Человек активно использует только три разновидности: оксид железа II, оксид железа III и смесь оксидов (II и III). Основная сфера применения веществ – тяжёлая промышленность, где они используется для изготовления специальных электродов, боевых снарядов, при выплавке чугуна. В промышленной химии железные оксиды применяются при производстве красок, как катализаторы некоторых реакций.  Вещество важно для пищевой промышленности в качестве пищевой добавки Е172, необходимой для окрашивания продуктов.

Оксиды железа разных цветов

Что такое оксид железа, разновидности (оксид железа II, оксид железа III), формулы

Оксид железа – это сложное вещество, состоящее из железа в связи с кислородом. В зависимости от соотношения металла и неметалла выделяют различные виды оксидов, внутри соединения – ионная связь. Широкий спектр сочетаний обусловлен разной валентностью железа – число атомов, с которыми элемент может образовывать химическую связь. Железо имеет переменную валентность: бывает II и III степень. В связи с этим различают такие оксиды:

  • оксид железа II (закись железа) – FeO, металл имеет валентность II;
  • оксид железа III (окись железа) – Fe2O3, железо имеет валентность III.
  • оксид железа II и III (железная окалина) – Fe3O4 либо FeO ∙ Fe2O3, это комплексное соединение, двойной оксид.

Все разновидности встречаются в природе в виде минералов. Закись железа представлена вюститом. Этот минерал характеризуется недостатком атомов железа, внешний вид – непрозрачные кристаллические корочки чёрного, серого цвета, иногда коричневого. Обладает металлическим блеском, твёрдый, при этом хрупкий, твёрдость по шкале Мооса – 5, отличается высокой плотностью.

Оксид железа III (окись железа) структурная формула и молекула

Оксид железа III (окись железа) структурная формула и молекула

Вюстит встречается редко, в основном в метеоритах, антропогенных шлаках, на дне глубоководных солёных озёр, в алмазах в виде включений. Выступает продуктом преобразований других железосодержащих минералов. Основные месторождения в России – Челябинская область, Красноярский край, Приморский край.

Окись железа очень распространена в природе, находится в форме минерала гематита. Он представляет собой толстые кристаллы таблитчатой или пластинчатой формы чёрного-красного цвета. Излом раковистый, окраска на изломе коричневая либо вишневая. Непрозрачен, с ярким металлическим блеском. Плотность и твёрдость высокая, значение по Моосу – 5 – 5,5.  Часто встречается в виде срощенных кристаллов в форме розы, чешуек.

Гематит – это важный в промышленном отношении минерал, его скопления – железные руды. Встречается рядом с кварцевыми отложениями, хлоритами, баритами. Довольно часть образует залежи. Много месторождений на территории Украины (Кривбасс), в России – в Карелии, на Урале. Как включение присутствует в осадочных и горных породах. В Европе есть залежи в Швейцарии (Альпы), встречается и в Австралии, Бразилии.

Железная окалина в естественных условиях обнаруживается в качестве магнетита.  Этот минерал внешне выглядит как непрозрачные октаэдрические кристаллы черного цвета с металлическом блеском и синим отливом. На изломе неровные с чёрной чертой, грани покрыты штриховкой. Высокая плотность – 5,1 г/см3, при твёрдости в 5-6 по шкале Мооса. Является полупроводником с низкой электропроводностью, обладает сильными магнитными свойствами.

Магнетит – это ценный материал для добычи оксида железа. По химическому составу на 72% состоит из чистого железа, встречается практически 70% содержание оксида железа III и 31% содержание закиси железа. Также содержит порядка 27% кислорода. Примеси представлены в основном магнием, алюминием, хромом, марганцем. Загрязнённость варьирует, зависит от условий образования и температуры окружающей среды, чаще всего она невелика.

Магнетит широко распространён в России на всей территории Урала, в Центральной и Западной Сибири, в Забайкайле, Дальнем Востоке и Якутии. Встречается в Казахстане, Узбекистане, Белоруси. В магматических горных породах минерал представлен в виде вкраплений, его можно найти в гидротермальных источниках, образует широкие залежи железных руд.

Физические свойства оксидов железа

Оксид железа II при нормальных условиях имеет вид чёрных мелких кристаллов с высокой насыпной плотностью. Характеризуется недостатком атомов железа, поскольку только при таком условии кристаллическая решётка вещества остаётся стабильной. Устойчивость повышается при подогревании. Не имеет вкуса и запаха. Температура плавления – 1377 °С, термическое разложение начинается при температурном режиме 700-800 °С.

Оксид железа III – это мелкодисперсный порошок красного цвета, высокоплотный. Плавится при 1566 °С,  не подвержен термическому разложению. Обладает выраженными магнитными свойствами. Характерно отсутствие вкуса и запаха. Устойчив к действию органических кислот и свету.

Железная окалина представлена черными кристаллами, образующими плотный порошок. Температура плавления составляет 1590 °С. Проявляет выраженный магнетизм и электропроводимость. Вещество не растворяется в воде, но способно соединяться с ней, формируя кристаллогидрат с формулой FeO ∙ Fe2O3 ∙ 2H2O. Безвкусен, запах отсутствует.  Выдерживает действие органических кислот, несветочувствителен.

Реакции с оксидами железа, взаимодействия и химические свойства

Закись железа проявляет основные свойства за счёт металла. Это типичный представитель основных оксидов, поэтому он взаимодействует с соединениями, имеющими противоположные свойства – кислотными оксидами:

FeO + SO3 → FeSO4

Вступая в реакцию к кислотными оксидами, основный оксид даёт соль соответствующего металла (например, сульфат железа). Оксид железа II реагирует с кислотами, соляной кислотой,  образуя при взаимодействии растворимую соль и воду:

FeO + HCl – FeCl2 + H2O

В связи с низкой стабильностью двухвалентная закись железа легко окисляется до трёхвалентного состояния. Это происходит при взаимодействии с концентрированными кислотами, в том числе при реакции с азотной кислотой:

FeO + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + 2H2O + NO2

При этом образуется нитрат железа III, вода и бурый газ. В ходе реакции с разбавленными кислотами происходит изменение валентности и степени окисления металла, но изменяется состав побочных продуктов:

3FeO + 10HNO3 → 3Fe(NO3)3 + 5H2O + NO↑

Несмотря на основный характер, оксид железа II может проявлять слабые окислительные свойства при нагревании, при этом выделяется чистое железо:

FeO + CO → Fe↓ + CO2

Окись железа является амфотерным соединением, т.е. проявляет как основные, так и кислотные свойства в зависимости от ситуации. Такие вещества способны реагировать с кислотами и основаниями. Поэтому оксид железа III взаимодействует с кислотами, реакция:

Fe2O3 + 6HNO3 → 2Fe(NO3)3 + 3H2O

При этом окись железа может вступать в реакцию с щелочами при интенсивном нагревании. В результате взаимодействия образуются ферриты:

Fe2O3 + 2NaOH → 2NaFeO2 + H2O

При взаимодействии с сильными окислителями железо в составе окиси может окисляться до степени окисления +6. Это происходит при реакции с хлоратом калия, хлор в щелочной среде приводит к образованию феррата с Fe6+:

Fe2O3 + KClO3 + 4KOH → 2K2FeO4 + KCl + 2H2O

При обеспечении щелочной среды даже соли азотной и азотистой кислот могут вступать во взаимодействие и окислить оксид железа III:

Fe2O3 + KNO3 + KOH → 2K2FeO4 + 3KNO2 + 2H2O

Оксид железа III взаимодействует и с восстановителями, при реакции металл выпадает в осадок и образуется гидроксид:

Fe2O3 + 3NaH → 3NaOH + 2Fe↓

Окись железа проявляет окислительные свойства в реакциях с менее активными окислителями, например, при взаимодействии с угарным газом:

Fe2O3 + 3CO → 2Fe↓ + 3CO2

Реакция может идти другим путём, с образованием оксида железа II:

Fe2O3 + CO → 2FeO + CO2

В ходе взаимодействия возможно выделение железной окалины:

3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2

Среди простых веществ окись железа может вступать в реакции и с самим железом:

Fe2O3 + Fe → 3FeO

Возможно взаимодействие с более активными металлами, реакция с алюминием:

Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3

При сплавлении с летучими оксидами возможно вытеснение их из солей при сплавлении, железо занимает их место:

Fe2O + Na2CO3 → 2NaFeO2 + CO2

Химические свойства железной окалины обусловлены совокупностью свойств оксида железа II и оксида железа III, которые характеризуются основностью и амфотерностью. Оксид железа II, III взаимодействует с кислотами и кислотными оксидами с образованием солей железа II и II, а также с выделением воды:

Fe3O4 + 8HCl → FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O

Железная окалина вступает во взаимодействия с концентрированной серной и азотной кислотами, при этом происходит реакция окисления железа до соответствующей соли:

3Fe3O4 + 10HNO3 → NO2↑ +3Fe(NO3)3 + 5H2O

Оксид железа II, III может окисляться при взаимодействии с кислородом до оксида железа III:

4Fe3O4 + O2 → 6Fe2O3

Железная окалина подвержена восстановлению водородом до чистого железа и воды, реакция:

Fe3O4 + 4H2 → 3Fe↓ + 4H2O

Оксид железа II,III способен взаимодействовать с сильнейшими восстановителями. Такими, как йодиды. В ходе реакции образуется молекулярный йод, который выделяется в виде паров, вода, а также йодид железа II.

Fe3O4 + 8HI → 3FeI2 + I2↑ + 4H2O

Вещество проявляет окислительные свойства в реакциях с угарным газом при нагревании:

Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2

Производство и получение

Закись железа в лаборатории и промышленности получают посредством восстановления окиси железа при взаимодействии с водородом, угарным газом либо железом при условии значительного повышения температур (порядка 600°С):

Fe2O3 + H2↑ →2FeO + 3H2O

Fe2O3 + CO↑ →2FeO + CO2

Fe2O3 + Fe →3FeO

Возможно получение оксида железа II путём термического разложения гидроксида железа при нагревании до 200 °С без доступа воздуха:

Fe(OH)2 → FeO + H2O

При разложении карбоната железа в качестве продукта выделяется оксид железа II:

FeCO3 → FeO + CO2

В промышленности используют более массовые методики производства, выход при которых существенно выше, а условия протекания реакций не такие жёсткие. Так, оксид железа II производят из неорганической соли сульфата аммония-железа – FeSO4 ∙ (NH4)2SO4 ∙ 6H2O (соль Мора). Процесс идёт в несколько этапов:

  1. Синтезируют сульфат аммония-железа. Для этого в реакторе разогревают концентрированный раствор сульфата железа II, медленно вносят туда щавелевую кислоту.
  2. Образовавшийся оксалат железа отфильтровывают и промывают для очищения от сульфат-иона, затем высушивают при 100-110 °С.
  3. Порошок оксалата железа прокаливают при 500-600 °С, образуется закись железа.

Окись железа добывают из солей и их кристаллогидратов, в которых металл имеет валентность III, например, сульфатов и нитратов:

4Fe(NO3)3 ∙ 9H2O → 2Fe2O3 + 10NO2↑ + 3O2↑ + 36H2O

Fe2(SO4)3 → FeфO3 + 3SO3

Оксид железа III добывают еще обезвоживанием амфотерных гидроксидов при прокаливании. Так, разогревают метагидроксид железа, являющийся продуктом атмосферной коррозии железа (ржавчина):

2FeO(OH) → Fe2O3 + H2O

Возможен синтез соединения при реакции окисления закиси железа кислородом:

FeO + O2 → Fe2O4

Термическое разложение гидроксида железа, в котором металл имеет валентность III, приводит к образованию окиси железа:

2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O

Оксид железа III в промышленности получают различными способами, которые отличаются друг от друга набором реактивов, разным количеством стадий и затрат времени. Для этого используются как природный минерал, так и чистые синтетические вещества. Распространена методика добычи вещества из карбоната железа:

  1. Карбонат железа синтезируют с помощью медленного внесения сульфата железа к смеси карбонатов аммония при постоянном перемешивании. Образуется осадок угольной соли железы, маточный раствор сливается.
  2. Порошок карбоната железа направляют в промывочные ванны, где выполаскивают растворимые примеси. Затем его просушивают.
  3. Кристаллы поступают в печь, где при температуре порядка 550-600 °С проводят окисление на воздухе, в результате чего выделяется окись железа.

Создаются более совершенные способы, которые отличаются удешевлением процесса при одновременной экономии времени и исходного сырья. Один из таких методов – добыча оксида железа III из закиси железа при добавлении нитрата натрия и щелочи. В качестве гидроксида используют едкий натр, который обеспечивает щелочную реакцию среды, повышение показателя pH. В ходе взаимодействия оксида железа II с нитритом натрия образуется нерастворимый осадок окиси железа, который промывают от примесей, высушивают и измельчают.

Железная окалина может быть получена с помощью сгорания железа в кислороде при температурном режиме, достигающем 150-600 °С:

3Fe + 2O2↑ → Fe3O4

При воздействии горячего пара на порошок железа образуется соединение оксидов железа II и III. Температура пара достигает 800 °С:

3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2

Возможна добыча железной окалины при медленном восстановлении оксида железа III молекулярным водородом либо угарным газом:

3Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 + H2O

Эти же реакции являются основой для получения закиси-окиси железа в промышленности.

Полезные свойства

Оксиды железа, которые человек употребляет в пищу в составе продуктов питания, практически не усваивается. Это связано с их нерастворимостью и устойчивостью к действию кислотной и щелочной среды. В связи с тем, что пищевая добавка Е172 не расщепляется и не всасывается в желудочно-кишечном тракте, она не влияет на концентрацию железа в плазме крови и не приносит организму ни вреда, ни пользы.

Полезные свойства окиси, закиси железа или железной окалины обусловлены активным внедрением этих веществ в производственную сферу. Они являются необходимыми компонентами многих промышленных процессов и незаменимыми реактивами.

Вред

Оксид железа II не токсичен и не вызывает раздражения, попадая на слизистые оболочки или кожу. Однако длительное вдыхание оксидной пыли или других аэрозолей (дыма) приводит к осаждению закиси в лёгких, что повлечет за собой затруднённое и недостаточное дыхание. При этом развивается воспалительное заболевание – сидероз, которое характеризуется разрастанием соединительной ткани в лёгких и потерей эластичности альвеол.

Оксид железа III и железная окалина не оказывают острого токсичного действия на организм. Однако в высоких концентрациях они могут повреждать кожу, вызывая раздражение, зуд и боль. Вдыхание провоцирует развитие пневмокониоза.

Применение

Оксиды железа используются во многих сферах деятельности. Основная область применения – различные отрасли промышленности, прежде всего химическая, нефтехимическая, тяжёлая, а также пищевая. Ценятся окрашивающие свойства вещества, разнообразие окрасок бывает от чёрной до оранжевой и красной. При этом добавка безвредна для человека, не имеет вкуса и запаха.

Применение оксидов железа в пищевой промышленности

Пищевая добавка оксиды железа в пищевой промышленности обозначаются общим кодом Е172. Для разновидностей существуют маркировки:

  • Е171(i) – оксид железа II, III (железная окалина);
  • Е171 (ii) – оксид железа III (окись железа);
  • Е171 (iii) – оксид железа II (закись железа).

Все они придают разную окраску пищевым продуктам. Пищевая добавка Е171(i) придаёт чёрный, тёмно-коричневый цвет, пищевая добавка Е171(ii) – преимущественно красный, пищевая добавка Е171(iii) – оранжевый, желтый, коричневый.  Благодаря тому, что соединение не имеет вкуса, запаха, не оказывает отрицательного влияния на организм и не вступает во взаимодействие с органическими веществами пищи, оно нашло широкое применение в сфере производства продукции. Оксиды железа можно найти в составе таких товаров, как:

  • мясной и рыбный паштет;
  • фруктовая и овощная консервация;
  • шоколад и какао-содержащие изделия;
  • готовые смеси для выпечки;
  • конфеты, драже и леденцовая карамель;
  • искусственная чёрная и красная икра;
  • корм для животных.

Установлена предельно допустимая суточная доза употребления пищевой добавки Е172 – 0,5 мг/кг веса человека. Добиться передозировки очень сложно, т.к. в продуктах питания её очень мало.

Применение оксидов железа в тяжёлой и других видах промышленности

Закись железа необходима для выплавки чугуна из железорудного сырья в специализированных доменных печах. Он выступает в роли катализатора реакции формирования жидкого чугуна.

Оксид железа II используют при производстве кирпича. Он придаёт им красный цвет после обжига. Аналогичную функцию соединение выполняет и при выпуске керамических и минеральных красок цветового диапазона от оранжевого до ярко-красного.

Образование оксидной плёнки закиси железа на стали – основа нанесения на неё цветных рисунков. Различная толщина слоя оксида железа II даёт различные цвета, что позволяет добиться уникального изображения.

Окись железа необходима для чугунного и керамического производства. Она важный компонент железного термита, который нужен для крепкой сварки стальных конструкция. Этот порошок не взрывоопасен, однако выделяет большое количество тепла при возгорании, что позволяет разогреть сшиваемые поверхности до 2700 °С.

Нанокристаллы оксида железа III могут выступать в качестве носителя информации, например, магнитных лент. Порошковая кристаллическая окись полирует и зачищает такие поверхности, как стекло и сталь.

Окись железа применима для производства ракетного и боевого карамельного топлива с высокой скоростью сгорания. Она может быть использована для импровизированных ракетных снарядов, характеризуется высокой гигроскопичностью и малой токсичностью.

Оксид железа III используется в нефтехимии как катализатор реакции дегидрирования веществ, содержащих двойные связи (диены).  Дегидрирование предполагает удаление, отщепление водорода. Диеновые полимеры являются важными каучукообразными соединениями.

Окись-закись железа используется для производства электродов, т.к. обладает электроповодностью, а также как чёрный краситель в различных производственных процессах. Важна медицинская сторона применения, т.к. нанокристаллический порошок, проявляющий магнитную активность, является составной частью аппаратов МРТ.

Тип пищевой добавки, класс опасности и токсичности, хранение

Пищевая добавка Е172 относится к типу красителей синтетического происхождения. Относится к 3 классу опасности – умеренно опасные вещества, требует соблюдения мер безопасности при обращении, ношения защитной одежды, в особенности респиратора. Не проявляет острой токсичности, однако может нанести ущерб здоровью при систематическом вдыхании аэрозолей.

Хранить оксиды железа необходимо отдельно от пищевых продуктов и посуды, в оригинальной плотно закрытой упаковке при относительной влажности не более 70%, в сухом вентилируемом помещении. Рекомендуемый температурный режим от +15 °С до +25 °С. Срок годности при соблюдении условий хранения не ограничен.

Где купить и сколько стоит

Оксиды железа продаются заводами-производителями, как зарубежными, так и отечественными. Стоимость 1 кг от 111 рублей, минимальный объём закупки, как правило, составляет не менее 25 кг. Меньшие объёмы можно приобрести в магазинах химических реактивов, ёмкости от 1 кг стоят порядка 400 рублей.

Заключение

Оксиды железа – это неорганические вещества, которые широко используют во многих сферах. Они являются незаменимым сырьём для выплавки чугуна, качественными катализаторами реакций, электропроводниками и источниками магнетизма. Особая окраска позволяет применять их в качестве пигментов для придания жёлтого, красного, оранжевого и чёрного цветов продуктам питания. Они нетоксичны и, как считают ученые, не вредят организму. Однако вдыхание аэрозольных оксидов железа на производстве влечет воспалительные заболевания лёгких. Несмотря на содержание железа, эти оксиды не усваиваются и не влияют на концентрацию микроэлемента в плазме крови.

Читайте также:

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...
Поделитесь
Читать еще

Названы знаки зодиака, которым предстоит пройти полосу испытаний во второй половине мая 2022 году

Астрологи определили, каким знакам зодиака во второй половине мая придется пройти череду испытаний. Однако огорчаться не стоит. Ведь трудности...

Обратите внимание! Вам могут помочь цифры, приносящие денежный успех и удачу!

Нумерология – это наука, которая занимается изучением цифр. Ее главная задача – определить сакральное значение, энергетику и особенности каждого...

Знаки зодиака, которые обычно терпеть не могут комплименты

К сожалению, далеко не всегда человек может задобрить своего собеседника, сказав ему несколько приятных слов. Есть люди, которые не...

5 знаков зодиака, которые зачастую не могут контролировать свой гнев

Хорошо это или плохо, но астрология играет ключевую роль в формировании нашей личности. В зависимости от гороскопа, составленного по...

До их сердца невозможно достучаться: их считают самыми безразличными знаками зодиака

К сожалению, как бы человек ни старался расположить к себе каждого своего знакомого, с некоторыми личностями ему может быть...

Денежное изобилие должно ждать 5 знаков зодиака в середине мая 2022 года

В середине мая 2022 года пять зодиакальных представителей столкнутся с денежным благополучием и невероятной удачей. Им предстоит стать настоящими...

Лигнин: свойства, применение, инструкция

Лигнин – это сложное полиароматическое вещество органического происхождения, которое накапливают растения. Наряду с целлюлозой оно составляет растительные клеточные стенки,...
0 Комментария

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Adblock
detector